滑索承載索鋼絲繩的剩磁檢測應(yīng)用

萬 強，沈功田,2，劉文貞，張世亮，劉曉龍

(1.中特檢科技發(fā)展(北京)有限公司，北京 100013；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029；3.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院，石家莊 050061)

滑索作為一種原始的客運索道形式，主要分為單/雙線無減速有緩沖滑索、單/雙線有減速無緩沖滑索和液壓張緊中間下載滑索3種形式[1]。其工作原理是穿戴柔性吊具的乘客，以斜拉的一根或兩根鋼絲繩作為軌道，利用牽引索牽引或自重及地勢高差，乘坐滑行小車沿著鋼絲繩滑行至目的地。在滑索運行過程中，鋼絲繩、吊具、支架、滑行小車、風速風向等因素都會對滑索的安全性能產(chǎn)生影響。其中，鋼絲繩是滑索承載索的受力構(gòu)件，常受到磨損、腐蝕、疲勞、撞擊、雷電等因素的作用，易發(fā)生損傷，甚至長期運行后發(fā)生斷裂并引發(fā)重大安全事故。

目前，滑索鋼絲繩的檢測主要按照《游樂設(shè)施監(jiān)督檢驗規(guī)程(試行)》中的規(guī)定進行，即對于乘人部分的鋼絲繩檢驗要求是其斷絲和磨損等缺陷大小不得超過GB 8408-2018 《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》中表15規(guī)定的鋼絲繩的斷絲和磨損允許值的要求，主要檢驗采用人工目視檢查方法，檢測人員用卡尺測量其直徑。該方法可靠性較差，測量誤差較大，容易造成漏檢，存在安全隱患。隨著鋼絲繩檢測研究的進一步深入和檢測技術(shù)的發(fā)展，以剩磁檢測技術(shù)[2]為代表的新型、智能化的鋼絲繩無損檢測方法和設(shè)備已經(jīng)在客運架空索道鋼絲繩、電梯曳引鋼絲繩、起重機鋼絲繩和礦用鋼絲繩的檢測中得到了廣泛應(yīng)用，相較于上述運動式鋼絲繩，滑索承載索鋼絲繩按照《滑索安全技術(shù)要求(試行)》中第八條規(guī)定，端部用緊固裝置進行固定，其為承載固定式鋼絲繩。由于滑索承載索鋼絲繩在使用安裝方式上不同，所以剩磁檢測方法和設(shè)備在滑索承載索鋼絲繩的檢測應(yīng)用上也存在一定的差異性和局限性。此外，《滑索安全技術(shù)要求(試行)》第二十六條中規(guī)定：鋼絲繩最長使用不得超過4 a。但滑索承載索鋼絲繩的使用條件、方式和到期需強制更換時的安全狀況等因素并不完全相同，規(guī)定進行強制更換的單一年限是不盡合理的，極易對鋼絲繩的使用造成浪費和不能及時更換之前已存在安全隱患的鋼絲繩。

因此，筆者通過對某景區(qū)到期需要強制更換的多組滑索承載索鋼絲繩進行剩磁檢測應(yīng)用研究，驗證了剩磁檢測方法在滑索承載索鋼絲繩檢測應(yīng)用中的可行性，同時為使用單位提供更換及維護鋼絲繩的參考依據(jù)，并為后續(xù)滑索鋼絲繩相關(guān)標準的修訂提供基礎(chǔ)。

1 滑索鋼絲繩的損傷模式

由于常在叢林、草地、湖泊、河流、峽谷等潮濕復雜環(huán)境中運行，在周圍介質(zhì)作用和長期承受載荷的影響下，滑索鋼絲繩易發(fā)生磨損、腐蝕、繩徑縮小和斷絲等損傷，當鋼絲繩強度下降到一定程度時，其安全可靠性和使用壽命均會受到影響。

1.1 磨損

滑行小車向下滑行的過程中，滑輪與鋼絲繩由于相對運動會產(chǎn)生接觸摩擦，鋼絲繩會受到接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和拉應(yīng)力的作用，其中彎曲應(yīng)力對鋼絲繩造成的磨損最為嚴重[3]。尤其在乘坐無減速有緩沖的滑索過程中，滑行速度過快時，乘客需要通過左右搖擺身體調(diào)整坐姿，使得滑輪與鋼絲繩形成一定的夾角，來達到增大摩擦減速制動的目的，這樣鋼絲繩磨損會更加嚴重，另外，如果鋼絲繩潤滑不充分或者繩上面附有灰塵、沙子等異物時會加劇磨損。

1.2 腐蝕

滑索鋼絲繩通常在戶外環(huán)境下使用，日曬和長期雨淋會使得其產(chǎn)生腐蝕損傷，特別是防腐措施不到位、不充分時，會出現(xiàn)更為嚴重的銹蝕和腐蝕，鋼絲繩的橫截面積會逐漸變小，承載能力以及強度降低[4]。

1.3 繩徑縮小

由于長期承受諸如乘客、滑行小車、吊具、自身重量等載荷，鋼絲繩會有微量的拉伸伸長，并且使用過程中與滑輪槽表面接觸時鋼絲繩外部會發(fā)生磨損，使得繩徑縮小。此外，鋼絲繩腐蝕程度越嚴重，磨損所帶來的后果也會越嚴重，且點蝕會逐漸形成成片腐蝕，使得繩徑縮小。

1.4 斷絲

滑索跨度一般都比較長，在自身重量的作用下會產(chǎn)生張緊拉伸和彎曲，且通常由于風速、風向等因素的作用，鋼絲繩會產(chǎn)生搖擺振動。因此，在長期使用過程中，鋼絲繩常會出現(xiàn)由彎曲、扭曲、拉伸以及振動所引起的疲勞；在循環(huán)載荷作用下，疲勞破壞會經(jīng)歷裂紋萌生、裂紋生長以及疲勞斷絲等3個過程。

因此，在對滑索鋼絲繩損傷模式進行診斷的過程中，一般將鋼絲繩損傷分為局部缺陷類型(LF)和截面積損失類型(LMA)兩種。其中局部缺陷類型是內(nèi)外部斷絲、局部變形、銹斑等造成的鋼絲繩局部位置損傷；截面積損失類型是指鋼絲繩磨損、銹蝕、繩徑縮小等作用導致的截面積減小損傷?；麂摻z繩損傷模式如圖1所示。

圖1 滑索鋼絲繩損傷模式

2 剩磁檢測原理

通過勵磁裝置對鋼絲繩進行磁化后，某些磁疇會改變隨機取向而保持新的取向，在鋼絲繩表面產(chǎn)生剩磁效應(yīng)。當鋼絲繩中無缺陷時，剩磁感應(yīng)強度比較微弱；當鋼絲繩存在缺陷時，缺陷被勵磁裝置磁化后，自身會形成磁回路，缺陷位置的磁力線會泄漏到鋼絲繩表面并繞回鋼絲繩內(nèi)部，剩磁效應(yīng)增大，則利用鐵磁性鋼絲繩的剩磁特性，采用探傷裝置內(nèi)的傳感器探頭可測定鋼絲繩內(nèi)剩磁場的變化[5]，從而實現(xiàn)對缺陷的探測。剩磁檢測原理示意如圖2所示。

3 滑索承載索鋼絲繩剩磁檢測應(yīng)用

3.1 檢測對象

為全面評估某景區(qū)到期需強制更換的多組雙線無減速有緩沖滑索和雙線無緩沖有減速滑索(滑翔翼)承載索鋼絲繩的安全性能，提出了基于剩磁檢測技術(shù)的檢測方案。

長度為692.5 m的滑索承載索的性能參數(shù)為：承載人次，1人·道-1·次-1;高差,59.1 m;承載索根數(shù),雙索(8根);滑索型式,直滑式;弦傾角,5.7°；設(shè)備使用方式，固定式；設(shè)計使用年限，整機20 a,鋼索4 a,滑車8 a,滑索裝備、滑索扣環(huán)、扁帶1 a；鋼絲繩規(guī)格，6K36SW+1WR-φ20 mm-1870。

長度為963.8 m的滑翔翼承載索的性能參數(shù)為：承載人次,2人·道-1·次-1;高差,95.9 m;承載索根數(shù),雙索(4根);滑索型式,電動回收;弦傾角,5.7°；設(shè)備使用方式，固定式；設(shè)計使用年限，整機20 a，鋼索4 a，乘坐物1 a；鋼絲繩規(guī)格，6K36SW+1WR-φ24 mm-1870。

長度為55.7 m的索承載索的性能參數(shù)為：承載人次,1人·道-1·次-1;高差,94.7 m;承載索根數(shù),雙索(8根);滑索型式,直滑式;弦傾角,5.7°;設(shè)備使用方式,固定式;設(shè)計使用年限,整機20 a,鋼索4 a,滑車8 a,滑索裝備、滑索扣環(huán)、扁帶1 a;鋼絲繩規(guī)格,6K36SW+1WR-φ24 mm-1870。

3.2 檢測設(shè)備

檢測儀器采用TS-X11系列鋼絲繩探傷儀，其主要由勵磁裝置和探傷裝置組成，其中探傷裝置包括信號接收終端和光電編碼器，信號接收終端實時捕捉記錄損傷信號并存儲，高精度光電編碼器準確記錄損傷部位的位置信息，因此可對鋼絲繩損傷缺陷進行定性定量定位分析，檢測儀器系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 TS-X11系列鋼絲繩探傷儀結(jié)構(gòu)

鋼絲繩檢測儀的檢測繩徑范圍為1024 mm;信噪比>85 dB;最大檢測速度為30 m·s-1；響應(yīng)時間≤0.5 ms；工作靈敏度≥1.0 V·mT-1；勵磁方式為永磁體。

3.3 檢測方案

開始檢測前，依據(jù)GB/T 21837-2008 《鐵磁性鋼絲繩電磁檢測方法》要求,采用制作的鋼絲繩對比試樣對檢測儀器的系統(tǒng)靈敏度進行調(diào)節(jié)和校準。由于滑索承載索鋼絲繩是固定的，因此，檢測時需要索不動而傳感器移動[6]。但鋼絲繩探傷儀的各裝置重量較輕，且夾持在鋼絲繩上有一定的滑行阻力，不能自主滑行至滑索末端，因此需要額外的牽引。根據(jù)現(xiàn)場工況和滑索架設(shè)情況，制定了如下3種試驗方案。

(1) 對于長度為692.5，955.7 m的滑索承載索，采用工作人員乘坐滑行小車帶動裝置由高到低進行牽引滑行，先磁化后檢測的方式(見圖4)，以防止滑行過程中勵磁裝置與探傷裝置因滑行速度不一致而相撞。

圖4 工作人員牽引裝置滑行

(2) 對于長度為963.8 m的滑翔翼承載索，使用電動回收裝置進行牽引(見圖5)，這樣可以借助滑翔翼對檢測裝置從低到高進行牽引，勵磁裝置和探傷裝置之間用安全帶連接(相距1 m)，可同時進行磁化和檢測。

圖5 滑翔翼牽引裝置滑行

(3) 對于另一組長度為963.8 m的滑翔翼滑索，由于另外一道滑索電機在檢修，電動回收裝置不可用，且雙索間間隔太大不能用滑行小車進行牽引滑行，因此借助相鄰滑翔翼對檢測裝置從低到高進行牽引(見圖6)，勵磁裝置和探傷裝置之間用安全帶連接(相距1 m)，可同時進行磁化和檢測。

圖6 相鄰滑翔翼牽引裝置滑行

3.4 檢測結(jié)果及分析

檢測完成后，通過USB數(shù)據(jù)線讀取信號接收終端存儲的檢測數(shù)據(jù)，并利用系統(tǒng)統(tǒng)計分析軟件，對檢測信號數(shù)據(jù)進行探傷曲線顯示和分析，并依據(jù)GB 8408-2018等相關(guān)標準對鋼絲繩損傷進行分級定量判別，得到以下結(jié)論。

(1) 長度為692.5 m的8根滑索承載索鋼絲繩的斷絲和磨損損傷未超出規(guī)定允許值，結(jié)論合格。其中，編號為滑索C區(qū)4道南索的鋼絲繩損傷位置和損傷狀態(tài)信息如表1所示。

表1 滑索C區(qū)4道南索鋼絲繩損傷位置和狀態(tài)信息

其中，距離下滑起始處0.34 m位置的檢測信號如圖7所示。

圖7 滑索C區(qū)距離下滑起始處0.34 m位置的檢測信號

(2) 長度為963.8 m的4根滑翔翼承載索鋼絲繩的斷絲和磨損損傷未超出規(guī)定允許值，結(jié)論合格。其中，編號為滑翔翼A區(qū)南道北索的鋼絲繩損傷位置和損傷狀態(tài)信息如表2所示。

其中，距離下滑起始處10.79 m位置的檢測信號如圖8所示。

表2 滑翔翼A區(qū)南道北索鋼絲繩損傷位置和狀態(tài)信息

圖8 滑翔翼A區(qū)距離下滑起始處10.79 m位置的檢測信號

(3) 長度為955.7 m的8根滑索承載索鋼絲繩中，編號為滑索A區(qū)4道北索的承載索鋼絲繩的斷絲數(shù)超出規(guī)定允許值，結(jié)論不合格，具體損傷位置和損傷狀態(tài)信息如表3所示；其余承載索鋼絲繩的斷絲和磨損損傷未超出規(guī)定允許值，結(jié)論合格。

表3 滑索A區(qū)4道北索鋼絲繩損傷位置和狀態(tài)信息

其中，距離下滑起始處169.40 m位置的檢測信號如圖9所示。

圖9 滑索A區(qū)距離下滑起始處169.40 m位置的檢測信號

為驗證檢測結(jié)果的準確性和可靠性，首先對使用單位使用上述滑索承載索鋼絲繩的頻率進行對比，發(fā)現(xiàn)長度為955.7 m的第4道滑索承載索鋼絲繩使用頻率最高，出現(xiàn)的鋼絲繩斷絲數(shù)也最多，與3.4(3)中的檢測結(jié)果一致;其次由于滑索承載索是架空固定安裝的，無法對架空位置的缺陷進行驗證，故選取距離下滑起始處或下滑末端較近的4處損傷位置進行驗證，發(fā)現(xiàn)4處缺陷的實際損傷位置和損傷狀態(tài)與鋼絲繩檢測儀的檢測結(jié)果一致。例如滑索C區(qū)4道南索的鋼絲繩通過人工目視檢查發(fā)現(xiàn)距離下滑起始處0.34 m位置附近存在銹蝕，用游標卡尺測量鋼絲繩直徑發(fā)現(xiàn)其橫截面減小2.7%，與3.4(1)的檢測結(jié)果一致，在誤差范圍內(nèi)?；鰽區(qū)1道南索的鋼絲繩經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)在距離下滑起始處948.76 m位置存在1根斷絲，通過人工復檢在其附近位置發(fā)現(xiàn)1根鋼絲繩表面斷絲。

通過對某景區(qū)到期需要強制更換的20組滑索承載索鋼絲繩進行剩磁檢測試驗，檢測過程中突破了現(xiàn)場條件的局限性，并對檢測結(jié)果進行了驗證，得出結(jié)論：所檢測的20根滑索承載索鋼絲繩中，僅有1根鋼絲繩斷絲數(shù)超出規(guī)定允許值，絕大部分鋼絲繩的損傷狀態(tài)和可靠性能滿足繼續(xù)使用的安全要求。

4 結(jié)論

(1) 采用剩磁檢測技術(shù)能準確得出鋼絲繩的損傷位置和損傷狀態(tài)，且與滑索承載索鋼絲繩實際的使用和損傷情況一致。

(2) 剩磁檢測方法在滑索承載索鋼絲繩檢測中具有較強的可行性，檢測結(jié)果準確可靠，可以替代常規(guī)的人工目視檢查方法，可有效減少人工目視檢查帶來的漏檢，降低鋼絲繩存在的安全隱患。

(3) 通過定期對在役滑索承載索鋼絲繩進行剩磁檢測，對其承受載荷能力和安全可靠性是否符合安全使用要求進行全面評估，為使用單位提供更換維護的參考依據(jù)，對于滿足安全使用條件的鋼絲繩可繼續(xù)使用，對于損傷超出規(guī)定允許值的鋼絲繩應(yīng)進行報廢更換，可減少因到期強制更換安全狀況良好的鋼絲繩而造成的浪費和降低使用單位的更換成本，因此建議修改滑索承載索鋼絲繩檢驗和報廢的相關(guān)標準。